先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

先進(jìn)樹(shù)脂基材料是以有機(jī)分子材料為基礎(chǔ)，以高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料，采用復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原材料性能的新材料。目前航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要包括高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺基復(fù)合材料。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型等特點(diǎn),已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結(jié)構(gòu)材料之一,在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用(圖1),可以實(shí)現(xiàn)15%~30%減重效益,這是使用其它材料所不能實(shí)現(xiàn)的。因此先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料在性能、設(shè)計(jì)、制造方面不同于傳統(tǒng)材料,主要體現(xiàn)在復(fù)合效應(yīng)、性能的可設(shè)計(jì)性、多功能兼容性和材料與構(gòu)件制造的同步性。復(fù)合效應(yīng):復(fù)合材料中增強(qiáng)體和基體各保持其基本特性,通過(guò)界面相互作用實(shí)現(xiàn)疊加和互補(bǔ),使復(fù)合材料產(chǎn)生優(yōu)于各組分材料的新的、獨(dú)特的性能。性能的可設(shè)計(jì)性:復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性主要表現(xiàn)為可通過(guò)改變材料組分、結(jié)構(gòu)、工藝等調(diào)控復(fù)合材料性能,賦予復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)以極大的自由度。以及可以按照工程結(jié)構(gòu)的使用要求,選擇適當(dāng)?shù)慕M分材料和調(diào)整增強(qiáng)纖維的取向,使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕,安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理。多功能兼容性:當(dāng)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件有多種功能要求時(shí),可增減復(fù)合材料中某種組分,從而在滿足主要承載要求的同時(shí)又能兼顧其它功能要求。材料與構(gòu)件制造的同步性:與一般傳統(tǒng)材料不同,復(fù)合材料構(gòu)件不是經(jīng)機(jī)械加工制造,而是構(gòu)件成型與材料制造同步完成。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)在很大程度上決定了復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量、成本和性能。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料成型技術(shù)主要包括:熱壓罐成型技術(shù)、RTM成型技術(shù)、自動(dòng)鋪放技術(shù)、拉擠成型技術(shù)和纏繞成型技術(shù)等。本文中主要介紹國(guó)內(nèi)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件制造中主要應(yīng)用的熱壓罐成型技術(shù)、RTM成型技術(shù)和自動(dòng)鋪放技術(shù)的最近發(fā)展,以及先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造過(guò)程模擬與優(yōu)化技術(shù),最后簡(jiǎn)要討論當(dāng)前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。1樹(shù)脂基復(fù)合材料的研制和發(fā)展圖2為熱壓罐成型技術(shù)主要工藝過(guò)程,包括預(yù)浸料制備、裁剪、鋪貼和固化。熱壓罐成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):(1)纖維體積含量高;(2)質(zhì)量穩(wěn)定性好;(3)成型模具簡(jiǎn)單。但熱壓罐成型工藝同時(shí)存在能源消耗大、設(shè)備投資成本高以及制件尺寸受熱壓罐尺寸限制等問(wèn)題。自20世紀(jì)60年代以來(lái),國(guó)內(nèi)熱壓罐成型技術(shù)得到很大的發(fā)展,主要體現(xiàn)為:建立了熱熔法預(yù)浸料制備技術(shù)、預(yù)浸料鋪貼和裁剪技術(shù)和數(shù)字化高度融合,高韌性復(fù)合材料技術(shù)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。早期國(guó)內(nèi)復(fù)合材料預(yù)浸料采用溶液法制造,由于制造過(guò)程大量使用有機(jī)溶劑和非連續(xù)生產(chǎn),導(dǎo)致預(yù)浸料質(zhì)量一致性差,生產(chǎn)效率低和污染大等問(wèn)題。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始發(fā)展了預(yù)浸料熱熔制備技術(shù),建立了熱熔法預(yù)浸料設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和預(yù)浸料熱熔制備技術(shù),實(shí)現(xiàn)了熱熔預(yù)浸料的連續(xù)批量制造。熱熔預(yù)浸料生產(chǎn)效率高,制備過(guò)程污染小,預(yù)浸料質(zhì)量一致性好。先進(jìn)飛機(jī)長(zhǎng)壽命和損傷容限設(shè)計(jì)要求樹(shù)脂基復(fù)合材料具有更高的韌性。為了提高復(fù)合材料韌性,國(guó)內(nèi)發(fā)展了各種增韌技術(shù),從早期的橡膠、熱塑性樹(shù)脂本體增韌、互穿網(wǎng)絡(luò)增韌,發(fā)展到目前的熱塑性樹(shù)脂“離位”增韌技術(shù)、熱塑性超薄織物協(xié)同增韌技術(shù)。通過(guò)發(fā)展多層次的增韌技術(shù),建立了高性能復(fù)合材料增韌技術(shù)體系,研制了滿足航空應(yīng)用要求的高韌性環(huán)氧、高韌性雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料體系。圖4是北京航空材料研究院研制的高性能環(huán)氧、高韌性雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料體系,其中部分復(fù)合材料的韌性達(dá)到國(guó)際三代高韌性復(fù)合材料的水平。熱壓罐成型技術(shù)從最初鋪貼、裁剪主要依靠手工發(fā)展到與預(yù)浸料自動(dòng)下料、激光輔助定位鋪層等數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合,提升了熱壓罐成型技術(shù)水平,明顯提高了預(yù)浸料鋪貼、裁剪的精度,進(jìn)而提高了復(fù)合材料的制造效率和構(gòu)件質(zhì)量。熱壓罐成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將是和自動(dòng)鋪放技術(shù)相結(jié)合,滿足大型復(fù)合材料構(gòu)件的高效優(yōu)質(zhì)制造的需求。圖5和圖6分別是預(yù)浸料鋪貼激光定位和自動(dòng)裁剪設(shè)備。早期樹(shù)脂基復(fù)合材料往往是首先成型簡(jiǎn)單形狀的零件(如圖7所示),然后通過(guò)機(jī)械連接構(gòu)成復(fù)合材料部件,大量連接嚴(yán)重影響復(fù)合材料應(yīng)用的減重效果。樹(shù)脂基復(fù)合材料整體成型技術(shù)是采用熱壓罐共固化共膠接技術(shù),直接實(shí)現(xiàn)帶梁、肋和墻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次性制造。整體制造技術(shù)可大量減少零件、緊固件數(shù)目,從而提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效率,其主要優(yōu)點(diǎn):(1)減少零件數(shù)目,提高減重效率,降低制造成本;(2)減少連接件數(shù)目,降低裝配成本;(3)減少分段和對(duì)接,構(gòu)件表面無(wú)間隙、無(wú)臺(tái)階,有利于降低雷達(dá)散射截面(RCS)值,提高隱身性能。圖8是整體加筋復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)。熱壓罐成型技術(shù)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料最成熟的成型技術(shù)之一,航空裝備的復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身等大量承力構(gòu)件主要采用熱壓罐成型技術(shù)制造。圖9是采用熱壓罐成型技術(shù)制造的飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身壁板。2rtm樹(shù)脂基復(fù)合材料的研制和發(fā)展樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)成型技術(shù)是在壓力注入或/和外加真空輔助條件下,將具有反應(yīng)活性的低黏度樹(shù)脂注入閉合模具中并排除氣體,同時(shí)浸潤(rùn)干態(tài)纖維結(jié)構(gòu),在完成浸潤(rùn)后,樹(shù)脂通過(guò)加熱引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)完成固化,得到復(fù)合材料構(gòu)件(圖10)。目前已經(jīng)有多種形式的RTM成型技術(shù),如真空輔助RTM(VARTM)、壓縮RTM(CRTM)、樹(shù)脂滲透模塑(SCRIMP)、真空滲透法(VIP)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑(SRIM)、真空輔助樹(shù)脂注射(VARI)等十多種方法。RTM制造技術(shù)適宜多品種、中批量、高質(zhì)量復(fù)合材料構(gòu)件制造,具有公差小、表面質(zhì)量高、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。RTM成型技術(shù)的關(guān)鍵之一是適于RTM工藝的低黏度、長(zhǎng)使用期、力學(xué)性能優(yōu)異的樹(shù)脂體系。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制了滿足不同使用溫度要求,適宜RTM工藝的樹(shù)脂基體,如環(huán)氧3266、5284和BMI6421、QY8911-Ⅳ等RTM樹(shù)脂體系,其中3266已經(jīng)用于飛機(jī)螺旋槳槳葉,其它樹(shù)脂體系正在殲擊機(jī)、直升機(jī)和大型飛機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證考核。幾種典型RTM樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要性能見(jiàn)表1。增強(qiáng)預(yù)制體制造技術(shù)是RTM成型技術(shù)的又一關(guān)鍵,國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了粘接和紡織預(yù)定型技術(shù)。粘接預(yù)定型采用刷/噴涂法和粉末法制造預(yù)制體;紡織預(yù)成型包括2D、2.5D、3D編織、三維機(jī)織多軸經(jīng)編(NCF織物)和縫合制造技術(shù)。不同預(yù)制體制造技術(shù)在不同構(gòu)件得到考核應(yīng)用。圖11是預(yù)制體編織設(shè)備。RTM技術(shù)的另一關(guān)鍵是樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程模擬技術(shù)。通過(guò)模擬RTM成型過(guò)程樹(shù)脂流動(dòng)、填充和浸潤(rùn)狀態(tài),可以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝方案,縮短研制周期,提高成型質(zhì)量,降低研制成本。國(guó)內(nèi)在RTM樹(shù)脂流動(dòng)模擬技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步,建立了具有RTM工藝3D構(gòu)件模擬,多種有限元網(wǎng)格剖分形式,注射口、溢料口位置、大小、方式等自主設(shè)定,可輸出樹(shù)脂流場(chǎng)和壓力場(chǎng),可以進(jìn)行變滲透率模擬和變黏度場(chǎng)模擬的先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)。圖12為帶工字平板結(jié)構(gòu)二維RTM樹(shù)脂流動(dòng)模擬及其驗(yàn)證結(jié)果。RTM成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始在航空裝備上得到大量應(yīng)用。圖13是采用RTM成型工藝技術(shù)制造的大型飛機(jī)復(fù)合材料波形梁和升降舵整體壁板。3自動(dòng)鋪帶技術(shù)自動(dòng)鋪放技術(shù)包括預(yù)浸料自動(dòng)鋪帶技術(shù)和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù),前者適合鋪放形狀相對(duì)比較簡(jiǎn)單的復(fù)合材料構(gòu)件,后者可以鋪放形狀復(fù)雜的復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)。自動(dòng)鋪帶技術(shù)具有鋪放效率高、纖維取向偏差小、鋪層間隙控制精度高以及材料利用率高等優(yōu)點(diǎn),國(guó)外已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料機(jī)翼和尾翼等大型復(fù)合材料構(gòu)件的制造。圖14為不同鋪放技術(shù)的鋪放效率。自動(dòng)鋪帶技術(shù)主要涉及預(yù)浸料可鋪性、高精度預(yù)浸帶制造技術(shù)、鋪放模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)以及自動(dòng)鋪帶工藝技術(shù)。國(guó)內(nèi)通過(guò)預(yù)浸料黏性和可鋪性關(guān)系研究,實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸料黏性的調(diào)控,獲得了滿足自動(dòng)鋪帶要求的預(yù)浸料,并建立了預(yù)浸料可鋪性評(píng)價(jià)裝置和標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)研究不同分切工藝對(duì)預(yù)浸帶分切精度的影響,建立了預(yù)浸帶高精度分切設(shè)備和技術(shù);研制了75mm、150mm和300mm寬度,精度達(dá)到0~-0.2mm的不同規(guī)格自動(dòng)鋪帶用預(yù)浸帶。圖15為預(yù)浸帶高精度分切設(shè)備和不同規(guī)格的預(yù)浸帶。通過(guò)研究解決了自動(dòng)鋪帶鋪放模具定位、構(gòu)件外形和局部加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)鋪帶的限制,建立了自動(dòng)鋪帶鋪放/成型模具技術(shù)和確定了自動(dòng)鋪帶工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪帶技術(shù)在航空裝備的首次應(yīng)用。圖16是采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造的復(fù)合材料翼面構(gòu)件。4固化過(guò)程模擬及工藝優(yōu)化技術(shù)樹(shù)脂基復(fù)合材料的特性之一是材料和構(gòu)件成型的同步性。樹(shù)脂基復(fù)合材料無(wú)論采用何種成型工藝,都存在固化過(guò)程和固化控制。固化周期影響復(fù)合材料構(gòu)件的制造周期;固化的均勻性影響復(fù)合材料構(gòu)件的性能和質(zhì)量。如何控制制造過(guò)程中復(fù)合材料樹(shù)脂基體的固化反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)量制造的關(guān)鍵。不同復(fù)合材料具有不同的反應(yīng)機(jī)制,固化反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜。但從固化度和反應(yīng)熱的關(guān)系分析,可以發(fā)現(xiàn)常用的雙馬和環(huán)氧基復(fù)合材料的固化反應(yīng)符合自催化反應(yīng)規(guī)律。因此可以用基于自催化反應(yīng)的固化動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述常用環(huán)氧和雙馬基復(fù)合材料的固化過(guò)程。通過(guò)采用實(shí)際固化工藝歷程并測(cè)定不同固化階段殘余反應(yīng)熱求取剩余固化度的方法(α=(HU-HR)/HU)驗(yàn)證了雙馬和環(huán)氧復(fù)合材料的固化動(dòng)力學(xué)方程的正確性,實(shí)現(xiàn)了常用航空復(fù)合材料體系固化過(guò)程的模擬。復(fù)合材料固化過(guò)程受溫度場(chǎng)的影響。一方面,溫度場(chǎng)分布影響固化反應(yīng)速率和固化均勻性;另一方面,固化反應(yīng)熱又影響溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)分布可采用熱傳導(dǎo)方程描述:式中:T為溫度;Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的熱導(dǎo)率;ρc為復(fù)合材料密度;Cc為復(fù)合材料的比熱;ρr為樹(shù)脂密度;Vr為樹(shù)脂的體積分?jǐn)?shù)HR為樹(shù)脂反應(yīng)放熱;為固化反應(yīng)速率;HR為樹(shù)脂總固化反應(yīng)熱。樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程產(chǎn)生的熱量與反應(yīng)程度有關(guān),通過(guò)固化動(dòng)力學(xué)方程可獲得任何狀態(tài)的固化反應(yīng)熱,因此熱傳導(dǎo)方程中內(nèi)部熱源的函數(shù)關(guān)系需由固化動(dòng)力學(xué)方程確定。樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程中增強(qiáng)材料沒(méi)有明顯的相變,增強(qiáng)材料的比熱變化不明顯。而基體樹(shù)脂要發(fā)生從液態(tài)→凝膠態(tài)→固態(tài)的變化,樹(shù)脂基體的比熱將發(fā)生明顯的變化。實(shí)驗(yàn)研究表明,樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程中樹(shù)脂基體比熱變化符合在樹(shù)脂基體凝膠點(diǎn)前后分段線性變化的基本規(guī)律。通過(guò)將固化反應(yīng)熱和樹(shù)脂比熱的變化引入熱傳導(dǎo)方程,建立了環(huán)氧和雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程溫度分布模型;采用有限元逐次迭代的方法,實(shí)現(xiàn)了溫度分布的數(shù)值計(jì)算。圖17和圖18為復(fù)合材料固化度及其固化過(guò)程溫度場(chǎng)變化的計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果。在復(fù)合材料固化過(guò)程模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)目前不同復(fù)合材料成型的基本要求,確定了固化過(guò)程優(yōu)化的規(guī)范。以固化的時(shí)間最短、固化均勻和完全為優(yōu)化目標(biāo),建立了復(fù)合材料固化過(guò)程工藝優(yōu)化判據(jù)及固化工藝優(yōu)化技術(shù)。采用固化模擬優(yōu)化技術(shù)對(duì)5428BMI復(fù)合材料固化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在復(fù)合材料性能不變的前提下,實(shí)現(xiàn)固化周期由11.5h減少到6h。圖19是不同固化工藝下獲得的5428BMI復(fù)合材料彎曲性能。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料固化過(guò)程模擬與優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,可提高復(fù)合材料制造過(guò)程固化工藝的研究水平,將樹(shù)脂基復(fù)合材料固化工藝從實(shí)驗(yàn)研究推進(jìn)到實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的新階段。5復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向隨著國(guó)內(nèi)航空裝備先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料用量的不斷增加和應(yīng)用要求的不斷提高,先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)將繼續(xù)向整體化、自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化發(fā)展,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向整體模塊化快速發(fā)展。(1)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向整體模塊化發(fā)展。樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展、完善和提高。通過(guò)整體模塊化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,將極大的減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件內(nèi)和構(gòu)件間的連接,提高復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效率,提升復(fù)合材料應(yīng)用的減重效率。(2)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造技術(shù)向自動(dòng)化發(fā)展。復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)和預(yù)浸料自動(dòng)拉擠技術(shù)將進(jìn)一步在大型復(fù)合材料構(gòu)件研制中得到應(yīng)用,以明顯提高制造效率和復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性。如要徹底改變復(fù)合材料制造的勞動(dòng)密集型特征,需要進(jìn)一步發(fā)展柔性、高效的復(fù)合材料自動(dòng)化技術(shù)。(3)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造過(guò)程向數(shù)字化發(fā)展。樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)